Инженерные адаптированные преформы: передовая автоматизация в производстве термопластиковых композитов

Многие новые технологии разработаны недавно для сокращения времени цикла и стоимости композитов, цель — увеличить использование композитов в авто, промышленности и потребительских товарах. Одной из самых перспективных областей — автоматизированные производственные линии, режущие и укладывающие термопластиковую препрег-ленту для формирования адаптированных заготовок, затем конвертирующие их в детали прессованием и инжекционным овермолдингом. Активные компании: Airborne (Гаага, Нидерланды), Van Wees UD и Crossply Technology (Тилбург, Нидерланды) и французская инженерная и передовая производственная НИОКР-организация Cetim (Нант, Франция). Последняя представила Quilted Stratum Process (QSP) в 2015 г. QSP может производить сложноформенные детали с пульсом производственной линии 40–90 секунд. Например, с QSP омега-профиль, прессованный в L-балку, интегрирует 13 патчей органолиста (тканый термопластиковый препрег) и UD-ленты толщиной 1,5; 2; 3 мм в деталь 6 мм с временем цикла менее 77 секунд на деталь.

Однако для использования автоматизации вроде QSP инженерам нужны методы дизайна и оптимизации, оценивающие множество теоретических комбинаций частичных слоев и соответствующих вариаций в числе, толщине, позиции и составе слоев (тип армирования, ориентация волокна). С этой целью Cetim объединила свой опыт в структурном анализе композитов, неразрушающем тестировании (NDT) и производстве с экспертизой ONERA (Французская аэрокосмическая лаборатория) в передовых методах оптимизации, использовавшихся годами в авиации. Результат — QSD, инструмент, теперь доступный в ПО HyperWorks компьютерно-инженерного анализа (CAE) Altair Engineering (Трой, Мичиган, США). Это в основном аддон оптимизации, помогающий проектировать композитные детали из ленточных и органолист-процессов и контролировать их стоимость, включая повторное использование производственных отходов для нулевых отходов, замкнутого цикла производства.

Четырехшаговый процесс

Методология QSD состоит из четырех шагов: структурная оптимизация, анализ формовки, идентификация укладки и анализ дизайн-то-кост (Рис. 1). Каждый помогает дизайнеру быстро протестировать, что можно сделать с входными материалами, и принять верные решения по механическим и производственным ограничениям для контроля стоимости детали. QSD аддон разработан с Altair для прямого использования всеми пользователями HyperWorks OptiStruct в знакомой среде. Пользователи могут использовать QSD без разработки новых КЭ-моделей, используя уже разработанный внутренний ноу-хау с софтом Altair.

Структурная оптимизация

На первом шаге QSD выбираются термопластичные ленточные материалы и их свойства — прочность, модуль и др. стандартные параметры — вводятся из выбранной базы дизайнера или базы Altair Multiscale Designer анизотропных термопластиковых композитных материалов и их микромеханических моделей. QSD использует эту базу и HyperWorks OptiStruct для завершения оптимизации «согласования жесткости». Поскольку некоторые результаты не легко представимы (например, анизотропная жесткость), QSD предоставляет способы взаимодействия со сложными но богатыми данными: прямые переменные поля или интерпретированные результаты — основные направления жесткости или полярный график жесткости (Рис. 1). Все дисплеи определяют один механический отклик, но предлагают адаптированные виды по предпочтениям пользователя. Цель — помочь дизайнерам понять и визуализировать путь к желаемой производительности детали. На этом шаге оптимизируются толщина и масса, вторая обычно снижается до 50% против металлических деталей.

Анализ формовки

Следующий шаг помогает дизайнерам делать необходимые компромиссы, сначала выпрямляя деталь — конвертируя из 3D формы в 2D лист — инструментом Drape Estimator, затем выполняя автоматическое разделение листа кластерным алгоритмом. Цель — упростить и ускорить оценку связи между плоской преформой и конечной деталью. Автомобильный клюв, показанный на Рис. 2, изначально разбит на 300 зон по КЭ-сетке и результатам OptiStruct, но число сокращено до пяти зон QSD.

Дизайнер может затем выпрямить и сгладить края каждой зоны для минимизации отходов в соответствующих вырезанных слоях. Это ключевой шаг, улучшающий производственную реализуемость для контроля стоимости. Также интересен: дизайнер может оценить влияние упрощения слоя и формы на механическую производительность детали. Если компромиссы между механикой и производственностью/отходами/стоимостью — этот шаг дает данные для оценки.

Идентификация укладки

Цель этого шага — определить лучшую локальную укладку для каждой зоны, выбирая из базы укладок QSD или библиотеки слоев, которую можно обогатить пользовательскими данными. QSD помогает дизайнеру набросать слои детали и протестировать лучшую стратегию укладки, оценивая отклик детали по механическим критериям (локальное смещение, фактор потери устойчивости, собственная частота).

Анализ дизайн-то-кост

На финальном шаге дизайнеры могут оценить материаловую стоимость детали, включая отходы, и производственную стоимость из-за резки и сборки слоев. Действительно, число слоев и материаловые отходы на слой — главные драйверы стоимости. Быстрая оценка отходов скоро будет доступна в QSD, давая оценочные значения на ранних итерациях дизайна. Для финальных итераций каждый слой можно экспортировать для детального гнездования на любом софте по выбору пользователя. Параметры формулы стоимости детали также могут быть кастомизированы дизайнером. Таким образом, дизайнер может оценить различные стратегии укладки и сравнить их отходы, производственность, стоимость и механическую производительность.

Заметьте: QSD позволяет оценивать все виды полуфабрикатов — ленты, тканые или перекрестные органолисты. Может оценивать переработанные материалы, такие как неканеватые ковры из переработанного углеродного волокна от Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre и др., или термоформируемые листы из термопластиковых отходов по технологии Thermosaïc Cetim или похожим процессам. Конечно, нужны механические свойства таких материалов, но после определения их легко вводятся в модули QSD, включая финальную библиотеку укладок/базу стеков. Таким образом, скрап от этой детали используется обратно в этой детали для нулевых отходов, замкнутого цикла производства — идеальная цель для всего композитного производства по устойчивости.

Инструмент для увеличения использования композитов

QSD подходит для первых шагов процесса дизайна, так как соответствует не только процессу QSP Cetim, но и всем процессам создания адаптированных преформ, независимо от степени автоматизации (автоматическое размещение ленты, автоматический раскрой и ручная укладка). Разработан для помощи инженерам в оптимизации деталей и избегании плохих дизайнерских решений рано в рабочем процессе.

Ссылка:

[1] «A novel design method for the fast and cost-effective manufacture of composite parts employing the Quilted Stratum Process» Франсуа-Ксавье Ирисарри, Теренс Маккуар, Седрик Жюльен, Дени Эспинассу.

Об авторе

Дени Эспинассу — механический инженер и лидер проекта QSD. Присоединился к Cetim, французскому механическому институту, в 2010 г. как специалист по дизайну и оптимизации структур из длинноволокнистых термопластиковых композитов. Также отвечает за разработку продукта через прототипирование и механическую валидацию.